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1、11/12/2023,Basic of Basic,1,第2章 基本放大电路,11/12/2023,Basic of Basic,2,2.0 放大的概念,放大的对象是变化量,电子电路放大的基本特征是功率放大,放大的基本要求：不失真,放大的实质是能量控制和转换,输入电阻 Ri,输出电阻 Ro,1.放大倍数,定义：,电压放大倍数,衡量放大电路的放大能力,2.输入电阻Ri,有效值,衡量放大电路获取信号的能力,3.输出电阻 Ro,11/12/2023,Basic of Basic,5,2.1 共发射极放大电路的组成,输入回路与输出回路以发射极为公共端，故称之为共射放大电路，并称公共端为“地”。,11/
2、12/2023,(15-6),输入,输出,？,参考点,-,+,RB,一、基本放大电路的组成,放大元件为晶体管，它工作在放大区，应保证集电结反偏，发射结正偏。iC=iB,-,+,+UCC,EB,RC,C1,C2,T,Rs,es,+,-,RL,+,-,11/12/2023,(15-7),集电极电源，为电路提供能量，并保证集电结反偏。,集电极电源：一般为几伏到几十伏。,11/12/2023,(15-8),集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,集电极电阻：一般为几千欧到几十千欧。,11/12/2023,(15-9),作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻。,基极电阻：一
3、般为几十千欧到几百千欧。,11/12/2023,(15-10),作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,耦合电容：常为电解电容，有极性。大小为几F到几十F,11/12/2023,(15-11),-,+,+UCC,RC,C1,C2,T,Rs,es,+,-,RL,+,-,电路改进：采用单电源供电。,11/12/2023,Basic of Basic,12,当ui=0时，称放大电路处于静态。,ICQ,IBQ,二、基本放大电路的工作原理,11/12/2023,(15-13),(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,11/1
4、2/2023,(15-14),uBE有一微小的变化,11/12/2023,(15-15),uCE怎么变化,？,沿一条直线变化,uCE=UCC-iCRC,11/12/2023,(15-16),ui0时，各点波形,uo与ui反相！,11/12/2023,(15-17),ui=0 uBE=UBE，uCE=UCE，uo=0,？,uCE=UCC iC RC,ui 0 uBE=UBE+ui，uCE=UCE+uo，uo 0,共射电路电压放大作用总结,若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，且两者相位相差1800，。,11/12/2023,(15-18),外加输入信号输入后，各电流和电压的大小均发生了变化，但
5、均是在直流量的基础上变化。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,11/12/2023,(15-19),放大电路实现放大的条件,1.晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3.输入回路可将变化的电压转化成变化的基极电流,4.输出回路可将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,11/12/2023,(15-20),如何判断一个电路是否能实现放大？,3.晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,4.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,1.输入信号能否输入到放大电路中。,2.输出信
6、号能否输出。,方法：应与实现放大的条件相对应,如果电路参数已给定，则应通过计算静态工作点来判断；如果电路参数未给定，则假设参数设置正确。,11/12/2023,Basic of Basic,21,2.2 放大电路的静态分析,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,静态：放大电路无输入信号时的工作状态,动态：放大电路有输入信号时的工作状态,11/12/2023,(15-22),分析对象：各电极电压电流的直流分量。,设置Q点的目的：使放大电路的放大信号不失真；使放大电路工作在较好的工作状态，静态是动态的基础。,静态分析：确定放大电路静态工作点 Q。即
7、IBQ、ICQ、UCEQ。,所用电路：放大电路的直流通路。,11/12/2023,(15-23),直流通路画法：令输入信号为零，电容相当于开路。,11/12/2023,(15-24),估算电路的静态工作点：IBQ、ICQ、UCEQ,根据直流通路估算IBQ,RB称为偏置电阻，IBQ称为偏置电流。,11/12/2023,(15-25),根据直流通路估算UCEQ、ICQ,ICQ,UCEQ,+UCC,11/12/2023,(15-26),IC,UCE,UCEIC满足什么关系？,1.三极管的输出特性。,2.UCE=UCC IC RC。,直流负载线,与输出特性的交点就是Q点,IBQ,图解法,11/12/2
8、023,Basic of Basic,27,2.3 放大电路的动态分析,当放大电路有输入信号时，各点的电压或电流通常都既含有直流分量，又含有交流分量。直流分量通常为静态值（不失真情况下），而交流分量是信号分量。动态分析是在静态值确定后，对信号的传输情况进行分析。,11/12/2023,(15-28),所用电路：放大电路的交流通路。,动态分析：计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,分析对象：各电极电压和电流的交流分量。,目 的：分析Au、ri、ro与电路参数的关 系，为电路的设计打基础。,11/12/2023,Basic of Basic,29,当信号很小时，将输入特性在小范围内
9、近似线性。,uBE,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。,rbb的量级一般为100300欧，可取200欧,11/12/2023,(15-30),2.输出回路,输出端相当于一个受ib 控制的电流源。,考虑 uCE对 iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。,晶体管输出电阻：,rce愈大,曲线越水平,其恒流特性愈好。其值约几十千欧到几百千欧。,11/12/2023,(15-31),rce很大一般忽略,3.晶体管的微变等效电路,c,b,e,11/12/2023,(15-32),二、放大电路的微变等效电路,交流通路画法：令直流电源为零，电容相当于短路。,放大电路的微变等效电路,11/1
10、2/2023,(15-34),a)电压放大倍数的计算,特点：负载电阻越小，放大倍数越小。,11/12/2023,(15-35),b)输入电阻的计算,对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，对信号源的影响程度也越小。,11/12/2023,(15-36),步骤：,1.去掉负载电阻，令电路中所有的独立电源为零。,2.在输出端加电压求电流。,c)输出电阻的求解方法,11/12/2023,(15-37),在放大电路的微变等效电路中，去掉负载电阻，令ui=0，并在输出端加电压求电流。,11/12/2023,(1
11、5-38),其中：,图解法,一、交流负载线：反映动态时 iC 和 uCE 的变化关系。,11/12/2023,(15-39),交流分量 ic 和 uce 与总的瞬时值 iC 和 uCE 有如下关系：,所以：,2、此直线通过Q点，称为交流负载线。,11/12/2023,(15-40),交流负载线的画法,IB,过Q点作一条直线，斜率为：,交流 负载线,直流 负载线,11/12/2023,(15-41),由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大电路的电压放大倍数。,二、图解分析,交流负载线,11/12/2023,(15-42),三、放大电路的非线性失真,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信
12、号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。,下面分析失真的原因。为简化分析，假设负载为空载(RL=)。,11/12/2023,(15-43),uo,可输出最大不失真信号,1、静态工作点 Q 在交流负载线的中间：,11/12/2023,(15-44),uo,2、Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生截止失真,削顶,适当增加基极电流可消除失真。,11/12/2023,(15-45),3、Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生饱
13、和失真,削底,适当减小基极电流可消除失真。,11/12/2023,(15-46),具有合适的静态工作点：Q应大致选在交流负载线的中心；输入信号Ui 的幅值不能太大。,放大电路不产生非线性失真条件,11/12/2023,Basic of Basic,47,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。电源电压的波动、元件的老化以及因温度变化所引起晶体管参数的变化，都会造成静态工作点的不稳定。其中温度对晶体管参数的影响是最主要的。,T,UBE,ICEO,2.4 静态工作点的稳定,11/12/2023,Basic of Basic,48,一、温度对Q点的影响,11/12/2023,(1
14、5-49),二、分压式偏置电路：,1、静态分析,RE射极直流负反馈电阻,CE 交流旁路电容,11/12/2023,(15-50),B,b.求静态工作点,11/12/2023,(15-51),可以认为与温度无关。,似乎I2、VB越大越好。但 I2 RB1、RB2太小，会增加损耗，降低输入电阻，故其阻值一般取几十k。而VB 过高会令VE 增高，当UCC 一定时，将令 UCE 减小，导致放大电路输出电压的动态范围减小。,B,11/12/2023,(15-52),2、动态分析,+UCC,uo,11/12/2023,(15-53),问题1：如果去掉CE，放大倍数如何变化？,CE的作用：交流通路中,它可将
15、 RE 短路，使 RE 对交流信号不起作用,放大倍数不受影响。,11/12/2023,(15-54),去掉 CE 后：交流通路和微变等效电路：,11/12/2023,(15-55),无旁路电容CE,有旁路电容CE,分压式偏置电路,减小,提高,不变,11/12/2023,(15-56),2.5 射极输出器,对交流信号而言，由于集电极是输入与输出回路的公共端，故为共集电极放大电路。因从发射极输出，又称射极输出器。,11/12/2023,(15-57),一、静态分析,11/12/2023,(15-58),二、动态分析,11/12/2023,(15-59),11/12/2023,(15-60),1.电
16、压放大倍数,11/12/2023,(15-61),结论：,11/12/2023,(15-62),2.输入电阻,输入电阻较大。若作为前级的负载，对前级的放大倍数影响较小，且取得的输入信号大。,11/12/2023,(15-63),3.输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,11/12/2023,(15-64),通常：,所以：,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,所谓带负载能力强，是指当负载变化时，放大倍数基本不变。,11/12/2023,(15-65),射极输出器的应用,1.可将射极输出器放在电路的首级，以提高输入电阻。,2.可将射极输出器放在电路的末级，以降 低输出电阻，提高带负载能力。,3
17、.可将射极输出器放在电路的两级之间，以起到电路的匹配作用。,11/12/2023,(15-66),耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,多级放大电路对耦合电路要求：,1.静态：保证各级Q点设置合适。,2.动态:传送信号。,要求：波形不失真,减少压降损失。,2.6 差分放大电路,11/12/2023,(15-67),措 施：增加R2、RE2，用于设置合适的Q点。,问题1：前后级Q点相互影响。,直接耦合电路存在的特殊问题,前后极间直接连接。它既可放大交流信号，也可放大直流信号。,11/12/2023,(15-68),=0,问题2：零点漂移。,原 因：如温度和参数的变化等。其中温度的
18、影响 最严重。在多级电路中，尤以首级零漂的 影响最严重，因其可逐级放大。,有时会将信号淹没,措 施：首级采用差分放大电路。,0,11/12/2023,(15-69),一、原理电路结构,特点：结构对称。,差分放大电路,ui1,ui2,集成差分对管,11/12/2023,(15-70),二、抑制零漂的原理,uo=UC1-UC2=0,uo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0,当 ui1=ui2=0 时：,当温度变化时：,+UCC,11/12/2023,(15-71),三、共模电压放大倍数 AC,+UCC,共模输入信号：ui1=ui2=uC（大小相等，极性相同）,理想情况：ui1=ui2 uC
19、1=uC2 uo=0,等量同向变化,共模电压放大倍数：,（很小,1),实际情况：因两侧不完全对称，uo 0，但很小,11/12/2023,(15-72),四、差模电压放大倍数 Ad,差模输入信号：ui1=-ui2=ud（大小相等，极性相反）,(很大,1),设 uC1=UC1+uC1，uC2=UC2+uC2。因 ui1=-ui2，uC1=-uC2，等量异向变化 uo=uC1-uC2=uC1-uC2=2uC1,差模电压放大倍数：,+UCC,单管的Au,11/12/2023,(15-73),五、共模抑制比(CMRR)的定义,例:Ad=-200，Ac=0.1 KCMR=20 lg(-200)/0.1=
20、66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMRR=,其值越大，表明差放对差模信号的分辨能力越强，对共模信号的抑制作用越好。,11/12/2023,(15-74),六、信号输入,共模输入：输入共模信号。,差模输入：输入差模信号。,比较输入：ui1、ui2 大小和极性是任意的，但 均可分解为共模分量和差模分量。,电路仅放大两输入信号的差值-差分放大电路。,11/12/2023,(15-75),1、结构,为了使左右平衡，可设置调零电位器:,七、典型电路：双电源长尾式差放。,特点：加入射极电阻RE；加入负电源-UEE，采用正负双电源供电。,11/12/2023,
21、(15-76),2、双电源的作用：,IB1、IB2由负电源 UEE 提供。使信号变化幅度加大。,11/12/2023,(15-77),3、RE的作用,温度T,IC,IE 2IC,UE,UBE,IB,IC,a、静态时,设 ui1=ui2=0,RE 具有强负反馈作用,抑制温度漂移，稳定静态工作点,IBRB+UBE+0.5IERP+2IERE UEE=0,RP,11/12/2023,(15-78),b、动态时RE 对差模信号作用,ui1,ui2,ib1,ic1,ib2,ic2,ic1=-ic2,iRE=ie1+ie2=0,uRE=0,RE对差模信号不起作用,交流通路：RE相当于短路；0.5RL处相当
22、于接地。,11/12/2023,(15-79),RE对共模信号有抑制作用（原理同静态分析。即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）。,uC,ic1、ic2,iRE、uRE,c、动态时RE 对共模信号作用,11/12/2023,Basic of Basic,80,2.8 互补对称功率放大电路,例：扩音系统,功率放大器的作用：用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。,11/12/2023,Basic of Basic,81,主要向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路。对电压放大电路的要求是使负载得到不失真的电压信号功率放大电路则主要要求获得一定的不失真的
23、输出功率，通常是在大信号状态下工作,11/12/2023,(15-82),一、对功率放大电路的基本要求,在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。功放电路常工作在极限状态，其电流、电压都比较大，必须防止波形失真，注意电路参数不能超过晶体管的极限值:PCM、ICM、U(BR)CEO。,11/12/2023,(15-83),由于功率较大，所以必须提高效率。电源提供的能量，应尽可能地转换给负载，以减少晶体管及线路上的损失。,Pomax:负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的功率。,提高效率方法：1、增大放大电路的动态工作范围。2、减小电源供给的功率。,11/12/2023,(15-84),甲 类：静
24、态工作点 Q 大致在交流负载线的中点。管耗大，理想情况下，max=50%。,乙 类：静态工作点 Q 位于 Ic 0 处。管耗更小，效率较高，但会产生交越失真。,甲乙类：静态工作点 Q 偏下，靠近截止区。管耗较 小，效率较高，但会产生失真。,放大电路的三种工作状态,二、分类,11/12/2023,(15-88),如何解决效率低的问题？,办法：降低Q点。,既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用互补对称射极输出器，或推挽 输出电路。,缺点：但又会引起截止失真。,11/12/2023,(15-89),OCL:Output CapacitorLess,OTL:Output TransformerLes
25、s,互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、PNP各一支；两管特性一致。,类型：,二、互补对称功率放大电路,11/12/2023,(15-90),1、无输出变压器的互补对称 功放电路（OTL）,A、结构特点,1)由NPN型、PNP型三极 管构成两个对称的射极输出器对接而成。,2)单电源供电。,3)输出端加有大电容。,11/12/2023,(15-91),B、静态分析,因 T1、T2 特性对称,令：,故：,T1、T2均截止，IC1 0，IC2 0,T1、T2 均不工作！,11/12/2023,(15-92),C、动态分析,令：输入端在 UCC/2直流基础上加入正弦信号。,若输出电容足够大,其电压
26、基本维持UCC/2,负载可得正负半周对称的交流信号,但波形存在交越失真。,T1导通、T2截止,T1截止、T2导通,uo,同时电容被充电,电容放电，相当于电源,11/12/2023,(15-93),D、电路的改进：克服交越失真,产生原因：晶体管特性存在非线性，ui 死区电 压时晶体管截止。,交越失真：当输入信号ui为正弦波时，输出信号 在过零前后出现的失真。,克服措施：使管子静态工作点稍高于截止点，令其工作于甲乙类状态。,11/12/2023,(15-94),静态：R1、D1、D2 上的压降可使管T1、T2处于微导通，令其工作在甲乙类状态。,动态：因D1、D2 动态电阻很小，R1 阻值不大，可使
27、管T1、T2的基极交流电位基本相等。,克服交越失真的OTL互补对称放大电路,调节 R3,可使 A 点电位为UCC/2,11/12/2023,(15-95),复合管的构成,方式 1,当输出功率较大时，NPN、PNP管配对较难，可采用复合管，同时也可扩大电流的驱动能力。,11/12/2023,(15-96),复合管的构成方式较多，但等效后复合管的性能均如下确定：,复合管的电流放大系数：1 2,复合管的类型同复合管中的第一只管子,方式 2,11/12/2023,(15-97),2、无输出电容的互补对称 功放电路(OCL),A、电路的结构特点：,1)由NPN型、PNP型三极 管构成两个对称的射极输出器
28、对接而成。,2)双电源供电。,3)输出端不加隔直电容。,11/12/2023,(15-98),C、动态分析：,ui 0V:T1截止，T2导通,iL=ic2,ui 0V:T1导通，T2截止,iL=ic1,因此，不需要隔直电容。,B、静态分析：,ui=0V:T1、T2为微导通，uo=0V,11/12/2023,(15-99),三、集成功率放大器,集成功放LM386接线图,特点:工作可靠使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定功率。,相位补偿,消除自激振荡,改善高频负载特性.,防止电路高频自激,去耦，滤除电源中高频交流分量.,11/12/2023,Basic of Basic,100,2
29、.9 场效应晶体管及其放大电路,普通晶体管是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制集电极或发射极电流的目的。场效晶体管是电压控制器件，它的输出电流决定于输入端电压的大小，基本不需要信号源提供电流，因此它的输入电阻很高。,11/12/2023,Basic of Basic,101,分类：,所谓“增强型”：指vGS=0时，没有导电沟道，即iD=0，而必须依靠栅源电压vGS的作用，才形成感生沟道的FET，称为增强型FET。,所谓“耗尽型”：指vGS=0时，也会存在导电沟道，iD0的FET，称为耗尽型FET。,11/12/2023,Basic of Basic,102,绝缘栅场效晶体管,1.增强型绝缘
30、栅场效晶体管,L：沟道长度,W：沟道宽度,tox：绝缘层厚度,通常 W L,11/12/2023,Basic of Basic,103,符号：,11/12/2023,Basic of Basic,104,工作原理,栅源电压vGS的控制作用,当vGS=0V时：,11/12/2023,Basic of Basic,105,在s、g间加一电压vGS0V,vGS反型层越厚,沟道电阻,11/12/2023,Basic of Basic,106,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,iD=f(vGS)vDS=C,转移特性曲线,iD=f(vDS)vGS=C,输出特性曲线,当vGS变化时，RON将随之变化，因此
31、称之为可变电阻区,恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。,vGS/V,11/12/2023,Basic of Basic,107,当vGS=0时，就有沟道，加入vDS，就有iD。当vGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。当vGS0时，沟道变窄，iD减小。,夹断电压（VP）沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS。,2.耗尽型绝缘栅场效晶体管,11/12/2023,Basic of Basic,108,N沟道耗尽型MOS场效应管结构,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,11/12/2023,Basic of Basic,109,N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,转移
32、特性曲线,11/12/2023,Basic of Basic,110,低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。,11/12/2023,Basic of Basic,111,场效应晶体管放大电路,1.自给偏置电路,源极电阻,在vGS=0时，耗尽型FET也会有漏源电流流过电阻R，而栅极是经电阻Rg接地，所以在静态时,VGS=-ID R,自身可提供一个电压，称 为自偏压,源极旁路电容,11/12/2023,Basic of Basic,112,分压偏置电路,11/12/2023,Basic of Basic,113,画出共源放大电路的交流小信号等效电路,求电压放大倍数,求输入电阻,求输出电阻,则,
